CPU-Leistungsaufnahme: Was „TDP“ bei AMD und Intel aktuell bedeutet

Jan-Frederik Timm 245 Kommentare
CPU-Leistungsaufnahme: Was „TDP“ bei AMD und Intel aktuell bedeutet

tl;dr: Wie kann es sein, dass zwei Prozessoren mit derselben Thermal Design Power (TDP) so unterschiedlich viel verbrauchen? Oder dass Core i7-8700K, -8700 und -8700T mit 60 Watt Differenz bei der TDP fast gleich schnell sind? Ein Blick auf die aktuelle Definition der TDP bei AMD und Intel gibt Auskunft darüber.

Verbraucht eine CPU die TDP?

Was bedeutet Thermal Design Power (TDP)? Auch im Jahr 2018 bleibt diese Frage in der Community allgegenwärtig. Dafür gesorgt haben auch die in der Vergangenheit wiederholt angepassten Definitionen der wesentlichen CPU-Hersteller AMD und Intel, mal kongruente und mal komplementäre Definitionen sowie die Entwicklung der CPU-Architekturen als solche: Denn früher gab es keinen Turbo.

Was TDP bei aktuellen CPUs mit Turbo von AMD und Intel bedeutet, erklärt ComputerBase deshalb nachfolgend anhand der derzeit gültigen Definitionen. Beispiele und eine Gegenüberstellung der beiden Ansätze runden den Artikel ab. Feedback und Anregungen zu diesem Artikel sind in den Kommentaren gerne gesehen.

Intels aktuelle Definition der TDP

Intel definiert die TDP aktuell als „die durchschnittliche Leistungsaufnahme (in Watt), die der Prozessor beim Betrieb auf Basisfrequenz ableitet, wenn alle Kerne bei einer von Intel definierten, hochkomplexen Arbeitslast aktiv sind“.

Was hinter der „hochkomplexen Arbeitslast“ steckt, bleibt zwar ein Geheimnis. ComputerBase konnte allerdings erst kürzlich zeigen, dass beispielsweise der Benchmark Cinebench R15 im Multi-Core-Test offensichtlich nahe an Intels Last heran kommt, denn der Verbrauch entspricht dort der TDP. Eine Orientierung ist also möglich.

Was zählt, ist der Basis-Takt

Die viel wesentlichere Aussage in Intels Definition ist allerdings „beim Betrieb auf Basisfrequenz“. Die TDP entspricht also dem Verbrauch der CPU bei Basis-Takt in Intels Test. Mit dem Verbrauch bei Turbo-Taktraten und in anderen Anwendungen hat die Definition damit absolut nichts zu tun. Wie viel Strom ein Prozessor im Alltag aufnimmt, lässt sich über die TDP also überhaupt nicht ableiten und dass CPUs im Turbo das Doppelte verbrauchen steht nicht im Widerspruch zur Definition.

Nichtsdestoweniger hat Intels TDP zumindest indirekt einen Einfluss auf Leistung und Verbrauch mit Turbo. Denn unverändert gibt Intel Herstellern von Kühlsystemen und Komplettsystemen mit der TDP die Richtung vor. Einen Core i7-8700K mit 15 statt 95 Watt TDP zu klassifizieren, indem sein Basis-Takt einfach von 3,7 GHz auf 0,7 GHz gesenkt wird, würde schlichtweg dazu führen, dass er mit winzigen Kühlern kombiniert wird, die ihm am Ende durch zu hohe Temperaturen auch einen hohen Turbo unter Last verwehren würden. Dieser Prozessor hätte mit 0,7 Ghz Takt dann wirklich nichts mehr mit dem auf dem Papier in Aussicht gestellten gemein.

TDP und Basis-Takt sind die untere Grenze

Mit der Vorgabe von 95 Watt bei einem Basis-Takt von 3,7 GHz stellt Intel also sicher, dass die CPU in vielen Rechnern auf Kühler trifft, die auch 4,3 GHz bei Last auf allen Kernen bewerkstelligen können. Und wer nur die Mindestvorgabe, nämlich 95 Watt Verbrauch bei Last bei Basis-Takt erfüllt, liefert immer noch den versprochenen Basis-Takt. Wichtig: Beide Fälle verstoßen nicht gegen Intels Definition.

Das Beispiel Core i7-8700(K)/(T)

Am Beispiel der drei gesockelten Varianten des Core i7-8700 wird deutlich, was Intels TDP-Definition bedeutet und welchen Freiraum sie Herstellern lässt. Core i7-8700K, i7-8700 und i7-8700T setzen alle auf den gleichen Die und bieten alle sechs Kerne sowie Hyper-Threading. Während das K-Modell allerdings mit einer TDP von 95 Watt daher kommt, sind es bei den anderen beiden Modellen 65 respektive nur noch 35 Watt. Dementsprechend groß fällt auch der Unterschied beim Basis-Takt aus, der ja für die TDP-Klassifizierung ausschlaggebend ist: 1,3 GHz oder 54 Prozent trennen hier den K- vom T-Prozessor. Beim Turbo ist der Unterschied hingegen kleiner: Nur 500 MHz oder 13 Prozent schneller darf der K-Prozessor schneller takten als das T-Modell. Der Core i7-8700 ist sogar nur maximal 100 MHz langsamer.

Eckdaten von Core i7-8700 und i7-8700K im Vergleich
Kerne/
Threads
Takt
(Basis)
Turbo
1 / 2 / 4 / 6 Kerne
TDP
Core i7-8700K 6/12 3,7 GHz 4,7 / 4,6 / 4,4 / 4,3 GHz 95 W
Core i7-8700 6/12 3,2 GHz 4,6 / 4,5 / 4,3 / 4,3 GHz 65 W
Core i7-8700T 6/12 2,4 GHz 4,0 / 3,9 / 3,9 / 3,8 GHz 35 W

Das führt dazu, dass Core i7-8700K und Core i7-8700 auf einem Mainboard, das der CPU so viel Strom wie benötigt genehmigt, fast gleichauf liegen, weil sie beide immer mit den maximalen und fast identischen Turbo-Taktraten operieren – es sei denn, die Temperatur steigt zu hoch. Auch der Verbrauch der beiden CPUs fällt dann quasi identisch aus. Trotz 30 Watt Unterschied bei der TDP.

TDP = Verbrauch ist eine Option

OEMs können diese Differenz allerdings auch nutzen. Der Medion Erazer X67020/X67015 (Test) mit Core i7-8700 hat das Ende 2017 sehr deutlich gemacht.

In diesem System darf der Prozessor schlichtweg nicht mehr Leistung aufnehmen als 65 Watt. Würde auf diesem System also Intels hochkomplexe Last gefahren werden, würde die CPU genau 65 Watt verbrauchen und mit den Basis-Taktraten laufen. In Anwendungen, die weniger Last als Intels Referenz erzeugen, taktet die CPU hingegen bei 65 Watt Verbrauch höher. So oder so ist der Prozessor in diesem System in Anwendungen allerdings deutlich langsamer als auf einem Desktop-Board. Nur in Spielen werden teilweise sogar die maximalen Turbo-Taktraten erzielt, weil Spiele trotz höherer Taktraten den Prozessor weniger auslasten und damit trotzdem weiterhin nur 65 Watt Verbrauch verursachen.

Leistung in Cinebench R15 (Multi-Core)
Angaben in Punkten
  • Multi-Core-Test:
    • Core i7-8700K (Kein Limit)
      1.412
    • Core i7-8700 (Kein Limit)
      1.389
    • Core i7-8700T (Kein Limit)
      1.261
    • Core i7-8700 (Limit 65 Watt)
      1.203
    • Core i7-8700T (Limit 35 Watt)
      920

Das Spiel lässt sich auch auf das T-Modell mit 35 Watt übertragen. In einem PC mit Verbrauchs-Deckel bei 35 Watt würde der Takt dieser CPU bei hoher Last auf 2,4 GHz fallen (Basis-Takt). In Systemen ohne Verbrauchsvorgaben lägen hingegen die Turbo-Taktraten an. Auf das Leistungsniveau der anderen CPUs bringt es dieser Prozessor dann zwar nicht, weil Intel in diesem Fall auch die maximalen Taktraten niedriger angesetzt hat. Der Abstand unter den Prozessoren wäre aber auch in diesem Fall deutlich kleiner, als es die TDP erahnen lässt – und der Verbrauch wäre mit 112 Watt statt 35 Watt auch nicht mehr signifikant niedriger.

Das Beispiel Core i7-8700 zu Core i7-8700K ist damit sicherlich extrem, weil sich zwar Basis-Takt und damit TDP der CPUs stark, die Turbo-Taktraten hingegen weniger deutlich unterscheiden. Aber der Core i7-8700T zeigt, dass quasi jeder Turbo-Prozessor zwei Seiten haben kann: Eine, sollte der OEM den Verbrauch auf die TDP beschränken, und eine, sollte das System die maximalen Turbo-Taktraten als Obergrenze anerkennen. PC-Hersteller müssen sich entscheiden, welcher Strategie sie folgen.

AMDs aktuelle Definition der TDP

Auch AMDs TDP hat zum Ziel, Herstellern vorzuschreiben, welche Verlustleistung ein Kühlsystem mindestens dauerhaft abführen muss, um den Prozessor nicht auszubremsen. AMD nähert sich der TDP dabei allerdings nicht über eine konkrete Messung des CPU-Verbrauchs, sondern eine theoretische Betrachtung des Kühlsystem an. AMD spricht bei der TDP deshalb auch von „thermischen Watt“ nicht „elektrischen Watt“.

AMD sagt „Die TDP ist ein striktes Maß für die thermische Verlustleistung eines ASIC, die das minimale Kühlsystem definiert, um die spezifizierte Leistung zu erreichen“. Berechnet wird die TDP über eine Formel, die zwei Eigenschaften von CPU und Kühler sowie die Umweltbedingungen berücksichtigt: Die maximal erlaubte CPU-Temperatur, den Wärmewiderstand des Kühlers sowie die Temperatur der kühlenden Luft.

TDP (Watt) = (tCase (°C) - tAmbient (°C))/(HSF (°C/W))

Dabei gilt:

  • tCase °C: Die maximal erlaubte Temperatur an der Schnittstelle zwischen Die und Heatspreader um die spezifizierte Leistung zu erreichen
  • tAmbient°C: die maximal erlaubte Temperatur der Luft am Kühlereingang um die spezifizierte Leistung zu erreichen
  • HSF Θca (°C/W): Der vom Kühler maximal zu erreichende Wärmewiderstand um die spezifizierte Leistung zu erreichen

Einerseits klar, andererseits nicht greifbar

Der Gedankengang leuchtet ein: Die CPU kann nur dann ihre spezifizierte Leistung erreichen, wenn sie nicht durch zu hohe Temperaturen gedrosselt wird. Die minimale vom Kühler abzuführende Verlustleistung ist also die, die die Temperatur der CPU bei maximal erlaubter Umgebungstemperatur genau an deren kritischen Grenze hält.

Der direkte Bezug zu einem konkreten Verbrauch bei einem konkreten Takt ist bei AMDs Definition im Gegensatz zu der von Intel allerdings gar nicht mehr vorhanden. Auf den ersten Blick könnte die TDP einer CPU nach Belieben gewählt werden, indem die maximal zulässige Temperatur, die angenommene Lufttemperatur oder die Leistungsfähigkeit des Kühlsystems immer wieder anders gewählt wird.

In der Praxis stecken aber natürlich nachvollziehbare Größenordnungen dahinter: Die maximale CPU-Temperatur bestimmt den Takt, der Kühler die maximale CPU-Temperatur und damit den Takt und die Lufttemperatur die Performance des Kühlers. Im Kern hat die Formel also sehr wohl einen ganz konkreten und CPU-spezifischen Bezug, er ist für den Anwender nur überhaupt nicht mehr greif- und die Information darüber, bei welchem Betriebszustand die TDP eventuell dem Verbrauch gleicht, nicht erkennbar.

Ein Beispiel: Ryzen 7 2700X

Am Beispiel des Ryzen 7 2700X wird deutlich, wie AMDs Ansatz funktioniert. Der Prozessor darf maximal 61,8 °C an der Schnittstelle zwischen Die und Heatspreader warm werden und die Umgebungstemperatur darf maximal 42,0 °C betragen – andernfalls werden die von AMD vorgesehenen Leistungswerte offensichtlich nicht mehr erreicht. Die CPU darf also maximal 19,8 °C wärmer werden als die Luft am Kühlereingang.

Für den Ryzen 7 2700X hat AMD einen Kühler mit einem Wärmewiderstand von höchstens 0,189 °C/W vorgegeben. D.h. pro aufgenommenem Watt an Leistung erwärmt sich der schwächste noch freigegebene Kühler selbst um 0,189 °C. Damit seine Temperatur und damit die der CPU nicht um mehr als 19,8 °C steigt, darf die CPU also nicht mehr als 105 Watt verbrauchen.

104,76 Watt = (61,8 °C – 42,0 °C)/(0,189 °C/W)

Ein Gedankenspiel

Hätte AMD den Ryzen 7 2700X bis maximal 71,8 °C freigegeben und würde grundsätzlich von 32,0 °C kühler Luft vor dem Kühler ausgehen, dann hätte die CPU eine TDP von 210 Watt. Diese Angabe wäre für die Auslegung des Kühlsystems allerdings nur dann sinnvoll, wenn der Prozessor unter Last auch dauerhaft in solche Dimensionen vorstößt. Deutlich höhere Taktraten und/oder höhere Spannungen wären vonnöten. Weder das noch die 32 °C Umgebungstemperatur sind realistisch – hier zeigt sich, dass die von AMD festgesetzten Variablen natürlich einen festen Bezug zur Wirklichkeit haben.

Greifen können Anwender die „spezifizierte Leistung“ oder den Verbrauch bei AMD am Ende aber nicht. Messungen des Stromverbrauchs legen zwar nahe, dass auch die TDP eher auf einen Lastzustand abseits der maximalen Turbo-Taktraten abzielt. Konkret lässt die Definition der TDP diesen Schluss aber nicht zu.

Der Verbrauch wird meistens höher liegen

Dass der Verbrauch unter Volllast in der Regel höher ausfallen wird, darauf deutet bzw. weist aber AMD hin. Beispielsweise indem der Hersteller zur Definiton erklärt, was passieren muss, damit der Prozessor noch schneller als „spezifiziert“ arbeiten kann: Die maximal erlaubte CPU-Temperatur müsste höher, die Umgebungs-Temperatur niedriger oder der Kühler stärker ausfallen – also noch Spielraum bei der Temperatur vorherrschen. Und dieses kontinuierliche Ausloten ist genau das, was der Turbo (Precision Boost (2), XFR (2)) bei AMD macht.

Auch bei AMD gibt es allerdings neben der Temperatur eine weitere Grenze, die den Takt beschränken kann: der maximal zulässige Verbrauch. So kann der thermische Verbrauch „in massiv parallelisierten All-Kern-Turbo-Szenarien“ zwar überschritten werden, das Maximum wird dann aber über die maximal vom Sockel zugelassene Stromstärke definiert (AM4 = 95 Ampere). Bei 1,35 Volt ergeben sich also knapp 130 Watt Verbrauch. Das passt schon eher zu den von ComputerBase unter Last ermittelten Verbräuchen für den Ryzen 7 2700X.

So kommen 105, 95 und 65 Watt TDP zustande

Interessant ist AMDs Vorgehen, um die TDP unterschiedlicher Klassen zu definieren. Die 65 Watt TDP des Ryzen 7 1700 ergeben sich gegenüber dem Ryzen 7 1700X mit 95 Watt TDP beispielsweise durch die Kombination aus einem schlechteren vorgegebenen Kühlsystem und einer höheren erlaubten CPU-Temperatur. Der Gedanke, der dahinter steckt, ist allerdings klar: Die CPU erhält den Basis-Takt mit dem Verbrauch, der ein deutlich schlechteres Kühlsystem trotz höherer zulässiger Temperatur noch abführen kann. Das ist im konreten Fall durch einen um 400 MHz deutlich fallenden Basis-Takt und fallende Mehr-Kern-Turbo-Taktraten (nicht öffentlich) möglich.

CPU Kerne Basistakt TDP tCase tAmbient Kühler*
Ryzen 7 2700X 8 3,7 GHz 105 Watt 61,8 °C 42,0 °C 0,189 °C/W
Ryzen 7 1800X 8 3,6 GHz 95 Watt 60,0 °C 42,0 °C 0,189 °C/W
Ryzen 7 1700X 8 3,4 GHz 95 Watt 60,0 °C 42,0 °C 0,189 °C/W
Ryzen 5 1600X 6 3,6 GHz 95 Watt 60,0 °C 42,0 °C 0,189 °C/W
Ryzen 7 1700 8 3,0 GHz 65 Watt 72,3 °C 42,0 °C 0,451 °C/W
Ryzen Threadripper 2950X 16 3,5 GHz 180 Watt 56,0 °C 32,0 °C 0,133 °C/W
Ryzen Threadripper 1950X 16 3,4 GHz 180 Watt 56,0 °C 32,0 °C 0,133 °C/W

AMD Ryzen hängt stärker an der TDP-Klasse als Intel Core

Core i7-8700K, -8700 und -8700T mit 95, 65 und 35 Watt TDP zeigen bei Intel eindrucksvoll, dass allein die TDP-Klasse nichts über die Leitungsfähigkeit einer CPU aussagen, wenn das System nicht darauf zurückgreift und die Turbo-Taktraten von Intel derart eng beieinander liegend gewählt wurden. Bei AMD Ryzen ist das aktuell wiederum anders. Ryzen 7 2700X (105 Watt TDP) und Ryzen 7 2700 (65 Watt TDP) trennen zwar nur 100 MHz beim maximalen Turbo (Ein-Kern-Last), im Alltag liegen bei Last auf allen Kernen aber dann doch deutlich andere Taktraten an. AMD hat in diesem Fall also entweder maximal zulässige Ströme oder maximal zulässige Taktraten mit größeren Abständen zwischen den TDP-Klassen definiert, so dass CPUs zweier TDP-Klassen sich stärker voneinander unterscheiden. Öffentlich verfügbar sind diese Informationen aber nicht mehr.

Weitere Grenzen

Die TDP ist bei AMD und Intel also der Verbrauch, den ein Kühlsystem dauerhaft abführen können muss, damit die spezifizierte Leistung (bei Intel offiziell der Basis-Takt) gehalten werden kann. Sie kann auch als Grenze genutzt werden, muss es aber nicht.

Lassen Hersteller von Mainboards oder PCs der CPU freien Lauf, müssen allerdings nicht zwangsläufig die maximal versprochenen Turbo-Taktraten erreicht oder gehalten werden. Wie bereits angesprochen, kann zum Beispiel die CPU-Temperatur dagegen sprechen. Aber auch der Verbrauch kann als limitierender Faktor wieder mit ins Spiel kommen. Denn CPU-Hersteller geben Prozessoren in der Regel auch Obergrenzen bei der zu konsumierenden Stromstärke mit. Bei CPUs, für die es Turbo-Taktraten bei Last auf einem, zwei oder sonst wie vielen Kernen gab, kam dieses Limit zwar in der Regel nie zum Zuge. Bei den allerneuesten Prozessoren, zu denen es nur noch Basis- und Single-Core-Turbo-Taktraten gibt, ist es hingegen im Normalfall der den Takt bestimmende Faktor – siehe Beispiel AMD Ryzen.

Auch AMD Ryzen Threadripper 2000 (Test) hat das dieser Tage wieder deutlich gemacht: Die CPU wird bei Last auf x Kernen im Regelfall durch ein Verbrauchslimit reglementiert, das oberhalb der TDP liegt.

Dieses Vorgehen klingt auf den ersten Blick wie ein Rückschritt, aber genau das Gegenteil ist der Fall: Anstatt für Lasten auf mehreren Kernen feste maximale Turbo-Taktraten zu definieren, die immer erreicht, aber nie überschritten werden, ermöglicht es der neue Ansatz der CPU, je nach konkreter Last mal höher und mal niedriger zu takten – und zwar nicht in Abhängigkeit der Anzahl der parallel genutzten Kerne, sondern der ganz konkreten Anforderung gemessen am Stromverbrauch.

Fazit

AMD und Intel sprechen in Bezug auf die TDP mittlerweile inhaltlich mehr oder weniger dieselbe Sprache: Beide beziehen sich auf den vom Kühlsystem abzuführenden Verbrauch bei einer spezifizierten Leistung, die allerdings nur bei Intel halbwegs greifbar ist: Hier entspricht sie der Leistung bei einer hochkomplexen Last bei Basis-Takt. AMDs Definition enthält diesen einen konkreten Berührungspunkt zwischen TDP, Verbrauch und Leistung hingegen nicht. Die praxisrelevanten Parallelen zwischen den TDP-Definitionen sind dennoch nicht von der Hand zu weisen.

Bewusst sein müssen sich Anwender bei beiden Herstellern, dass die TDP keine direkte Aussage über Verbrauch und Leistung im Alltag zulässt. Prozessoren beider Hersteller mit hohen maximalen Turbo-Taktraten werden in Mainboards ohne Verbrauchsobergrenze auch deutlich mehr verbrauchen können. In OEM-Systemen, die den Verbrauch im schärfsten Fall hart auf die TDP deckeln, wird die CPU hingegen langsamer sein und auch nur so viel verbrauchen wie die TDP. Der Vergleich der drei CPUs aus der Core-i7-8700-Serie ist ein sehr plakatives aktuelles Beispiel für diesen Fall.

Das Verhalten kann aber auch generationsübergreifend zu auf den ersten Blick nicht nachvollziehbaren Entwicklungen kommen: zum Beispiel lauteren Kühlsystemen oder kürzeren Akkulaufzeiten im Notebook.

Ein prominentes Beispiel sind Intels mobile 15-Watt-CPUs für Notebooks. Sie bieten neuerdings mehr Kerne und trotzdem höhere maximale Turbo-Taktraten, obwohl die TDP gleich geblieben ist. Auf dem Papier sind die CPUs damit bei gleichem Verbrauch zwar schneller, im Alltag verbrauchen sie unter Last abseits des für die TDP relevanten Basistaktes hingegen mehr.

Wie schnell ein Prozessor im eigenen System ist, ist damit nicht alleine eine Frage der TDP und der vom Hersteller vorgegebenen (Turbo-)Taktraten. Es kommt hingegen vor allem darauf an, ob der Hersteller die TDP als Verbrauchsobergrenze setzt, oder der CPU so viel Leistungsaufnahme genehmigt, wie sie für den maximalen Turbo braucht. Den scheint aktuell nur AMD bei Ryzen deutlicher auch nach der TDP-Klasse auszulegen, so dass ein Ryzen 7 2700 (65 Watt) dann doch signifikant langsamer als ein Ryzen 7 2700X (105 Watt) operiert. Bei Intel wiederum haben maximaler Turbo und TDP in vielen Fällen sehr wenig miteinander zu tun.

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